高中物理中關于經典力學局限性的思考

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(山東省北鎮中學2016級17班)

經典力學指的是以牛頓三大定律作為基礎，在低速狀態和宏觀世界下研究物體運動的有效方式方法，是作用于物體之上力學的物理模型。它包括三大定律以及萬有引力定律。盡管經典力學再怎么科學合理，其自身也存在一定的局限性。愛因斯坦的相對論可以證明這一點。從時空觀、慣性和非慣性這兩方面進行論述二者。

高中物理 經典力學 局限性

一、時空觀

(一)經典力學的時空觀

經典力學認為，時間和空間都有絕對和相對之分。絕對的時間是其自身均勻的流逝，與其他外在的事物沒有關系；絕對的空間同樣也是與其他一切外在事物沒有關聯，處處均勻，永遠不移動。而相對的時間是可以感知的和外在的對運動的延續的量度，它經常用來替代真實的時間；相對的空間是對絕對空間的量度，人們經常通過其與物體的相對位置來認識它。綜上所述，空間好像是一個裝東西的容器，而時間是在宇宙中均勻的流逝，兩者之間不存在任何關聯，同時也和物質運動不存在關系。但是就現如今看來，這里有許多內容都是不適用的。

(二)相對論中的時空觀

相對論又分為狹義相對論和廣義相對論。狹義相對論認為，時間和空間具有相對性和統一性。他認為孤立的時間和空間是不存在的。在狹義相對論中，愛因斯坦做了兩個假設：相對性原理和光速不變原理，從而得出了幾個重要的結論：長度收縮、時鐘變慢、光速極限等。同時，他認為同時性是相對的，在一個慣性系中同時發生的事情，在不同的慣性系中進行測量是就不是同時發生的；如果物質運動的速度比光速要小很多，那么相對論中的力學就和經典力學有了一定的相似性。廣義相對論認為，時間和空間是不能夠脫離物質而獨立存在的，時間、空間是伴隨著物質的運動和分布的變化而變化的，這就把時間空間和物質的內在聯系揭露出來。同時，它還認為時間空間會因為物質的存在而發生變化，地球上的萬有引力就是一個很好的例子。相對論中的時空觀把時間和空間的關系及二者與物質的關系揭示的很清楚，可以說是彌補了經典力學的局限。

二、慣性和非慣性參考系

在我們描述一個物體的時候，不管它是否在運動，總是習慣找個參考系，并且這個參考系有很多。比如說，一個人在路上騎著自行車，自行車可以作為參考系，地面同樣也可以作為參考系。然而，經典力學也就是牛頓力學體系并不是對于所有的參考系都是成立的。

經典力學體系除了地面參考系還有什么參考系適用呢？伽利略曾經在船艙時觀察到：當船靜止不動的時候，小飛蟲在勻速向各個方向飛行，水中的魚兒也在隨意的向各個方向游動。當船勻速運動沒有左右搖擺的時候，小飛蟲和水中的小魚仍舊是和船禁止不動時的現象一樣。這樣就使得人們沒有辦法去確定船到底是在運動還是禁止不動。這就表明，在相對于地面做勻速直線運動的物體中做力學試驗研究與在地面所得到的結果是一樣的沒有差別。這就說明以相對于地面做勻速直線運動的物體作為參考系的時候經典力學體系還是成立的。但是，對于相對于地面做變速運動的參考系來說，牛頓力學定律又是否依舊成立呢？

假設有一輛車在做勻速直線運動，我們在車廂的桌面上放置一個圓球。相對于車廂參考系來說，球是靜止的，小球所受的外力的合力是零，這就符合牛頓運動定律。如果車廂開始向右做加速運動，我們在在車廂內可以觀察到，圓球在向左做加速運動，而這個時候圓球并沒有受到其他物體的作用力，它所受的合力依舊零。這就證明，在相對于地面做變速運動的車內，牛頓運動定律不再適用。

在高中物理中，我們一般以慣性系作為參考系。經典力學中物體的質量是恒定不變的，它在處理宏觀物體即質量變化可以忽略不計的低速運動問題的時候是適用的。然而，對于質量發生變化不能不計的情況下，非慣性參考系則比較適用，愛因斯坦的相對論即是如此。他指出，物體的質量要隨著其運動速度的增大而增大，二者成正比。比如說，在地球圍繞太陽公轉時，它是進行低速勻速運動，質量變化幾乎可以忽略不計，這時經典力學就可以應用于此。而當其運動速度比光速還要快時，物體質量的增大速度也在隨著大幅度提升，已經不可以忽略了，在這個方面，經典力學顯然已經不再適用。

雖然經典力學體系在微觀領域已經有些落伍，但是物理學領域沒有經典力學體系建立的基礎是不可能發展到現在的。經典力學的地位仍舊是不可替代的。它是力學體系發展的根本。在它的基礎上，才有了能量守恒、動能原理等現代物理學體系的出現與構建。

總而言之，由上可知，經典力學適用于質量不變或者變化可以忽略的低速運動，對于高速運動問題、微觀粒子還是相對論和量子力學更加適用。相信在宏觀的經典力學體系的基礎上，通過科學家和物理學家的共同努力，把經典力學和微觀的力學體系結合起來，物理學將走出桎梏，走向科學前沿。

參考文獻：

[1]童海燕.高中物理中關于經典力學局限性的思考[J].考試周刊，2014，(79) ：133-134.

[2]王忠明.談對經典力學思想方法的思考[J].物理教學探討，2014，(08) ：36-39.